智能家庭要求家用電器經(jīng)網(wǎng)絡(總線)實現(xiàn)互聯(lián)、互操,總線協(xié)議是其精髓所在。目前,國際上占主導地位的家庭網(wǎng)絡標準有:美國的X10[1]、消費總線(CEBus)[2]、日本的家庭總線(HOME BUS)[3]、歐洲的安裝總線(EIB)[4]。

　　消費總線使用五種類型的介質(zhì)(電力線、無線、紅外、雙絞線和同軸電纜),其中以電力線的應用最為廣泛。消費總線得到IBM、Hownywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Siements等大公司的支持,1992年成為美國電子工業(yè)協(xié)會的標準(EIA600、EIA721)。1997年,EIA600成為美國ANSI標準;2000年6月,微軟和CEBus委員會共同宣布支持CEBus的簡單控制協(xié)議SCP。SCP是未來微軟UPNP協(xié)議的子集。

1 CEBus電力線物理層

　　鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性,CEBus采用價格低廉、簡單易行的線性調(diào)頻(chirp)擴頻調(diào)制技術。摒棄了傳統(tǒng)電力線載波通常應用的直接序列擴頻、調(diào)頻擴頻、跳時擴頻等設備復雜、價格昂貴的擴頻調(diào)制技術。

　　消費總線的物理層有四種碼,分別是:“0”、“1”、“EOF”和“EOP”。均為掃頻信號,正弦信號載波,從203kHz經(jīng)過19個周期線性地變?yōu)?00kHz,再經(jīng)過1個周期變?yōu)?00kHz,然后在5個周期中變?yōu)?03kHz,整個過程用時100μs,也就是1個UST(Unit symble time,在消費總線中用多少個UST來度量時間)。其波形如圖1所示。

　　chirps掃頻載波需經(jīng)過放大耦合到電力線上,放大后的幅度應適中。幅度太低,給接收電路帶來困難;幅度太大,又會對電力線上的設備產(chǎn)生干擾。CEBus的規(guī)定如表1[5]所示。

　　同時也規(guī)定了電器設備對信號的阻抗。如果阻抗很小,就會將信號吸收從而無法傳送。規(guī)定如表2[5]所示。

　　線性調(diào)頻技術實現(xiàn)寬帶低功率密度傳輸,從而大大提高抗干擾性能和傳輸距離。同時,chirps具有很強的自相關性和自同步性。這種自相關性決定了所有連接在網(wǎng)絡上的設備可以同時識別從網(wǎng)上任意設備發(fā)出的這種特殊波形。

2 通訊模塊的設計

　　根據(jù)P89C51RD2和P300的芯片手冊[6][7],設計的通用通訊模塊的原理圖如圖2所示。P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊,用模擬的I2C總線和串行EEPROM通訊。這樣,中斷口、串口和有足夠的I/O口可以用于實際設備的設計。

3 通訊模塊電力線接口電路的設計

　　從P300輸出的信號幅度小、驅(qū)動能力弱而且還有高次諧波,因此必須經(jīng)過濾波和放大,然后才能通過耦合電路將信號調(diào)制到電力線上。耦合電路將高壓和低壓隔離開,防止高壓擊穿通訊電路。另一方面,從電力線來的載波信號又要由P300接收,而電力線上的干擾很大也很不確定,所以需要一個帶通濾波器,通過100kHz～400kHz之間的信號,再送到P300的接收端。電路的方框圖如圖3所示。

　　其中左邊的3根線來自P300,TS是數(shù)字信號,控制收發(fā)轉(zhuǎn)換。實際上P300的收發(fā)類似半雙工方式,因為當它在“發(fā)送”劣態(tài)的時候,實際上并沒有輸出信號。因此,這個時候它可以處于接收狀態(tài),如果接收到了優(yōu)態(tài),就表示發(fā)生了競爭。

3.1 濾波電路

　　輸入濾波器電路如圖4所示。

　　這個濾波器有6階,對高頻干擾有很好的抑制,圖5是它的頻率響應曲線。在高頻段400kHz處衰減為3dB,高于400kHz的平均衰減為128dB/dec,可以有效地過濾干擾信號。

　　P300輸出的信號包含豐富的高次諧波,為了減小對電網(wǎng)的干擾,先經(jīng)過帶通濾波器再進行放大。濾波器也采用無源電路,原理與上面類似,這里不再贅述。

3.2 放大電路

　　P300的輸出信號經(jīng)過濾波之后,其內(nèi)阻很大,沒有驅(qū)動能力,而且電壓幅度不符合消費總線的要求,必須放大后才能夠驅(qū)動電力線。放大電路不僅要有強有力的輸出能力,還需有禁止輸出功能,這樣才能使P300接收其它節(jié)點發(fā)出信號。